用于解決FM調(diào)制低功耗方案的IQ調(diào)制器的精度和線性介紹

簡介

為通信應(yīng)用生成模擬或數(shù)字FM時(shí)，IQ調(diào)制器提供通用的低功耗解決方案。示例設(shè)計(jì)將顯示混合信號(hào)MCU如何用于執(zhí)行相位累加器和正弦/余弦查找表功能。證明了IQ調(diào)制器精度和線性度的重要性。

應(yīng)用

FM很有用，因?yàn)镻A的高效率很容易實(shí)現(xiàn)。在產(chǎn)品層面，應(yīng)用可以是無線麥克風(fēng)，耳機(jī)和頭盔無線電，以及手持雙向無線電。

一些數(shù)字FM調(diào)制方案是連續(xù)相移頻鍵控（FSK），GFSK和M-ary FSK。在商業(yè)雙向無線電業(yè)務(wù)中流行的DMR調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)使用窄帶4FSK，其可以如此處所述生成。 1 模擬FM可以是寬帶FM或窄帶FM（NBFM），如下所述。

為什么要使用IQ調(diào)制器？

存在許多用于產(chǎn)生FM的經(jīng)典電路技術(shù)，例如在VCO或參考振蕩器或兩者中將調(diào)制添加到PLL中。電抗調(diào)制是另一種經(jīng)典方法。這些方法的缺點(diǎn)是該設(shè)計(jì)變得特定于頻帶以及該頻帶的單獨(dú)PLL或電抗調(diào)制器。例如，K vco 或PLL環(huán)路增益的變化可能會(huì)有問題。

IQ調(diào)制器方法的好處是：

頻率捷變，

本質(zhì)上面向未來，適合成為軟件定義無線電（SDR），

可以實(shí)現(xiàn)出色的調(diào)制精度。

生成模擬FM

在此FM應(yīng)用中，IQ調(diào)制器可用作精確的360度相位調(diào)制器。由于相位是頻率的時(shí)間積分，因此周期性更新的相位累加器執(zhí)行時(shí)間積分功能。 2

如圖1所示，系統(tǒng)的行為類似于傳統(tǒng)的DDS，相位累加器寄存器可以遞增和遞減。 3 查找表（LUT）包含正弦和余弦函數(shù)，因此在精確相位處生成固定幅度的旋轉(zhuǎn)矢量。這個(gè)復(fù)雜的信號(hào)由IQ調(diào)制器向上轉(zhuǎn)換，以LO頻率為中心。對(duì)于高調(diào)制精度，IQ調(diào)制器（如LTC5599和LTC5589）需要差分基帶驅(qū)動(dòng)，LTC6362可在所需的V cm = 1.4V下輕松實(shí)現(xiàn)。 DAC重建濾波器對(duì)于衰減由于采樣引起的DAC奈奎斯特圖像至關(guān)重要。通過選擇無源LC濾波器技術(shù)，我們可以潛在地降低信道外噪聲基底。

基本的DDS調(diào)諧方程可以應(yīng)用于此應(yīng)用。請(qǐng)注意，我們正在合成正或負(fù)ΔF，它表示瞬時(shí)頻率偏差：

其中：

F OUT =復(fù)雜的輸出頻率，Hz。可以是正頻率或負(fù)頻率。

M =二進(jìn)制調(diào)諧字。可以是正數(shù)或負(fù)數(shù)。

RefClk =累加器更新率，Hz。

N =相位累加器的長度，位。

通過代入M =最大調(diào)諧字，計(jì)算 F OUT 顯示調(diào)制器輸出的最大瞬時(shí)頻率偏差。

因?yàn)?F OUT 在許多FM應(yīng)用中通常很低，例如對(duì)于NBFM系統(tǒng)，5.5 kHz，對(duì)于 RefClk 的要求也相應(yīng)較低，符合上述DDS公式。在許多情況下，整個(gè)角度調(diào)制過程在混合信號(hào)MCU中實(shí)現(xiàn)變得切實(shí)可行，以 RefClk 速率進(jìn)行中斷驅(qū)動(dòng)。重要的是，當(dāng)相位累加器寄存器溢出或下溢時(shí)，相位環(huán)繞也會(huì)保持相位旋轉(zhuǎn)連續(xù)且無縫。這使得精確的直流耦合調(diào)頻成為可能。

音頻限制和預(yù)加重

用于模擬音頻的FM發(fā)射器通常會(huì)采用限制器，以防止FM過度偏離和濺入相鄰頻道。精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將利用軟限制，以便在發(fā)生這種情況時(shí)將聽覺失真降至最低。

如果接收器沒有高音頻頻率的去加重，接收器輸出端的白噪聲將是令人反感的。為了補(bǔ)償這一點(diǎn)，發(fā)射機(jī)通常利用較高頻率的音頻預(yù)加重，以獲得音頻通帶上的凈整體平坦響應(yīng)。 4

由于IQ調(diào)制器基本上用作精確移相器，因此實(shí)現(xiàn)預(yù)加重有兩種基本方法：

使用相位調(diào)制（不是FM）傳輸音頻。這很好用;然而，F(xiàn)M偏差的限制變得稍微復(fù)雜一些，因?yàn)槟繕?biāo)是限制頻率偏移，而不是相位偏移。 FM輸入對(duì)于編碼亞聽覺CTCSS或DCS信令仍然有用。 5

使用RC網(wǎng)絡(luò)在FM調(diào)制之前預(yù)先強(qiáng)調(diào)音頻。這是一種優(yōu)選的方法，因?yàn)槠钕拗撇灰蕾囉陬l率。

無論選擇哪種方法，對(duì)于所需通帶以外的頻率，仍需要額外的低通和高通音頻濾波。

帶通配置中的FIR濾波器具有完全消除DC頻率誤差的優(yōu)點(diǎn)，否則DC頻率誤差可能以DC偏移的形式通過ADC。如果要求高中心頻率穩(wěn)定性，這是一個(gè)很好的優(yōu)勢。

IQ調(diào)制器損傷的影響

IQ調(diào)制器損傷分為兩大類：LO泄漏和圖像抑制（IR） LO泄漏導(dǎo)致FM基帶矢量旋轉(zhuǎn)偏離中心擺動(dòng)，產(chǎn)生與偏差和調(diào)制速率相關(guān)的AM和雜散產(chǎn)物。通常，有兩種發(fā)生LO泄漏的機(jī)制：通過調(diào)制器IC傳導(dǎo)，并在IC周圍輻射。整體屏蔽效能應(yīng)該使后者稍微小于前者。

圖像抑制是正交幅度不平衡和正交相位不平衡的函數(shù)。任何一種的降級(jí)都會(huì)使矢量旋轉(zhuǎn)變成橢圓形狀，這也會(huì)產(chǎn)生與偏差和速率相關(guān)的雜散產(chǎn)物。

IQ調(diào)制器（如LTC5589 / 99）可以使LO泄漏和鏡像拒絕。為獲得最佳性能，請(qǐng)調(diào)整這些寄存器以獲得最低的FM失真，并將值保留在非易失性存儲(chǔ)器中。隨后的測試結(jié)果將顯示此方法通常可以獲得多少改進(jìn)。

過多的差分基帶驅(qū)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生不需要的輸出雜散產(chǎn)物，通常為3 rd 次序和更高。 RF輸出功率的小幅降低可以大大降低雜散電平，反之亦然。

NBFM的設(shè)計(jì)實(shí)例

對(duì)于圖1所示的系統(tǒng)，最大FM偏差計(jì)算如下：

8位ADC驅(qū)動(dòng)單位增益FIR濾波器。二進(jìn)制輸出范圍= -128到+127。

RefClk = ADC轉(zhuǎn)換率

=相位累加器更新率

= 196 kHz。

N = 11位

因此，峰值FM偏差=

要減少相位截?cái)嚯s散，所有11個(gè)累加器位映射到LUT條目，總共2,048個(gè)正弦條目，加上2,048個(gè)余弦條目。每個(gè)條目都是8位寬，與每個(gè)DAC的分辨率相匹配。 LUT初始化僅在上電時(shí)使用浮點(diǎn)觸發(fā)功能發(fā)生一次，具有適當(dāng)?shù)目s放和舍入以匹配DAC輸入范圍。再一次，這很容易在混合信號(hào)MCU的能力范圍內(nèi)。

在這個(gè)例子中，11位累加器比來自ADC的8位輸入M長3位。 FIR濾波器。三位是可接受的最小值。對(duì)于滿量程輸入轉(zhuǎn)換，最大相變?yōu)?128 /（2 11 ）= -1/16 th 周期，或-22.5度。典型的相變將會(huì)少得多。它希望保持最大相變相對(duì)較小，以保持IQ軌跡沿著恒定功率圓，而不是在圓上短切。

為了加快構(gòu)建，該項(xiàng)目采用了來自類似項(xiàng)目的基帶差分放大器和DAC重建濾波器，其詳細(xì)信息已在線記錄。 6 每個(gè)濾波器為5 th 階，具有<< 0.5dB的通帶平坦度，同時(shí)在奈奎斯特圖像頻率，190kHz及更高的頻率下提供至少35dB的衰減。

測試結(jié)果

上述系統(tǒng)的測試結(jié)果，NBFM的設(shè)計(jì)實(shí)例如下所示。 IQ調(diào)制器是工廠演示板上的LTC5599，所有寄存器都處于默認(rèn)狀態(tài)，除了為使用的LO頻率設(shè)置的多相中心頻率寄存器，439.44 MHz。

矢量信號(hào)分析儀（VSA）是測試調(diào)制精度的理想儀器。對(duì)于此測試，VSA用于解調(diào)IQ調(diào)制器輸出，如圖2所示.VSA處于模擬解調(diào)模式，顯示相對(duì)于時(shí)間的瞬時(shí)FM或解調(diào)FM波形的FFT。

圖3和圖4顯示了該設(shè)計(jì)可能具有的出色線性度。在兩幅圖中，ADC的輸入峰峰值幅度保持不變，我們觀察到輸出調(diào)制深度也保持不變。

圖5和圖6說明了模擬FM的FFT在調(diào)整調(diào)制寄存器之前和之后，輸出對(duì)于揭示雜散產(chǎn)物至關(guān)重要，以最大限度地減少損傷。如前所述，基帶驅(qū)動(dòng)幅度的輕微下降將減少高階雜散產(chǎn)物。對(duì)于許多基本應(yīng)用，不需要調(diào)整寄存器。

圖7顯示頻率誤差目前約為96 Hz。這是由于ADC輸出端的DC偏移誤差造成的。在該示例設(shè)計(jì)中，1 LSB貢獻(xiàn)ΔF= 196kHz / 2 11 = 95.7Hz。通過在FIR濾波器中包括高通響應(yīng)可以消除偏移。同樣的數(shù)字也顯示了大約的總剩余FM。 3 Hz rms，即由于LO的實(shí)驗(yàn)室級(jí)信號(hào)發(fā)生器。板載單芯片PLL解決方案將展示更多。該圖中的噪聲尖峰隨機(jī)出現(xiàn)，并且被認(rèn)為是由于ADC偏移略大于1 LSB，但小于2 LSB。

圖8顯示了RF輸出功率和頻譜。射頻輸出功率約為。 + 0.6dBm。平均值用于顯示DAC圖像雜散產(chǎn)物的水平，在這種情況下約為-70dBc。通過 RefClk 頻率的輕微增加可以輕松實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減少。

結(jié)論

從用于模擬FM應(yīng)用的低功率調(diào)制器可以獲得出色的FM調(diào)制精度。對(duì)于諸如音頻的較低帶寬應(yīng)用，可以使用MCU來計(jì)算FM基帶矢量。 IQ調(diào)制器內(nèi)的DC偏移和圖像抑制寄存器允許調(diào)整以獲得最佳性能。